近代電子測量技術(shù) 頻譜儀分析課件

頻域測量——頻譜分析儀頻譜分析儀是使用不同方法在頻域內(nèi)對信號的電壓、功率、頻率等參數(shù)進行測量并顯示的儀器。頻域測量——頻譜分析儀頻譜分析儀是使用不同方法在頻域內(nèi)對時間幅度(功率)頻率時域測量頻域測量頻率與時域的關(guān)系以頻譜形式顯示出所測信號分解的每個正弦波的幅度隨頻率變化的情況就是頻域測量。時間幅度頻率時域測量頻域測量頻率與時域的關(guān)系以頻譜形式顯頻譜分析的基本概念廣義上，信號頻譜是指組成信號的全部頻率分量的總集；狹義上，一般的頻譜測量中常將隨頻率變化的幅度譜稱為頻譜。頻譜測量：在頻域內(nèi)測量信號的各頻率分量，以獲得信號的多種參數(shù)。頻譜測量的基礎(chǔ)是付里葉變換。頻譜的兩種基本類型離散頻譜（線狀譜），各條譜線分別代表某個頻率分量的幅度，每兩條譜線之間的間隔相等連續(xù)頻譜，可視為譜線間隔無窮小，如非周期信號和各種隨機噪聲的頻譜頻譜分析的基本概念廣義上，信號頻譜是指組成信號的全部頻率分量.調(diào)制失真噪聲頻譜分析的類型.調(diào)制失真噪聲頻譜分析的類型頻譜分析儀的分類按分析處理方法：模擬式頻譜儀、數(shù)字式頻譜儀、模擬/數(shù)字混合式頻譜儀；按基本工作原理：掃描式頻譜儀、非掃描式頻譜儀；按處理的實時性：實時頻譜儀、非實時頻譜儀；按頻率軸刻度：恒帶寬分析式頻譜儀、恒百分比帶寬分析式頻譜儀；按輸入通道數(shù)目：單通道、多通道頻譜儀；按工作頻帶：高頻、射頻、低頻等頻譜儀。頻譜分析儀的分類按分析處理方法：模擬式頻譜儀、數(shù)字式頻譜儀、頻段分配頻段分配

頻譜分析儀是使用不同方法在頻域內(nèi)對信號的電壓、功率、頻率等參數(shù)進行測量并顯示的儀器。一般有實時分析法、非實時分析法兩種實現(xiàn)方法。實時分析法實時分析法又包括：并行濾波式（模擬）FFT分析法（數(shù)字）頻譜儀的實時與非實時分析頻譜分析儀是使用不同方法在頻域內(nèi)對信號的電壓、功率、并行濾波式每個濾波器之后都有各自的檢波器，無需電子開關(guān)切換及檢波建立時間，因此速度快，能夠滿足實時分析的需要。但是可顯示的頻譜分量數(shù)目取決于濾波器的數(shù)目，所以需要大量的濾波器。并行濾波式每個濾波器之后都有各自的檢波器，無需電子開關(guān)切帶通濾波器的性能指標(biāo)（一）帶寬通常是指3dB帶寬，或稱半功率帶寬

分辨率帶寬（RBW）反映了濾波器區(qū)分兩個相同幅度、不同頻率的信號的能力RBW帶通濾波器的性能指標(biāo)（一）帶寬通常是指3dB帶寬，或稱半帶通濾波器的性能指標(biāo)（二）波形因子

波型因子反映了區(qū)分兩個不等幅信號的能力，也稱帶寬選擇性波形因子定義為濾波器60dB帶寬與3dB帶寬之比。

也可用40dB帶寬與3dB帶寬之比表示。波形因子較小的濾波器的特性曲線更接近于矩形，故波形因子也稱矩形系數(shù)帶通濾波器的性能指標(biāo)（二）波形因子波型因子反映了區(qū)分帶通濾波器的性能指標(biāo)（三）

濾波器響應(yīng)時間（建立時間）

信號從加到濾波器輸入端到獲得穩(wěn)定輸出所需的時間。通常用達(dá)到穩(wěn)幅幅度的90％所需的時間TR來表述，它與絕對帶寬B成反比：TR∝1/B。

寬帶濾波器的響應(yīng)時間短，測量速度快；窄帶濾波器建立時間較長，但頻率分辨率更高、信噪比好。響應(yīng)時間限制了頻譜儀的掃描分析速度，影響實時頻譜分析的實現(xiàn)。帶通濾波器的性能指標(biāo)（三）濾波器響應(yīng)時間（建立時間）并行濾波器組處理（基于模擬濾波器或FFT－數(shù)字濾波）在特定時段中對時域數(shù)字信號進行FFT變換，得到頻域信息并獲取相對于頻率的幅度、相位信息?？沙浞掷脭?shù)字技術(shù)和計算機技術(shù)，非常適于非周期信號和持續(xù)時間很短的瞬態(tài)信號的頻譜測量。但其分析速率帶寬受ADC采樣速率限制，適合分析窄帶信號。FFT分析法并行濾波器組處理在特定時段中對時域數(shù)字信號進行FFT變換實時(FFT)分析儀方框圖實時(FFT)分析儀方框圖非實時分析法在任意瞬間只有一個頻率成分能被測量，無法得到相位信息。適用于連續(xù)信號和周期信號的頻譜測量。掃頻式分析：使分析濾波器的頻率響應(yīng)在頻率軸上掃描。差頻式分析（外差式分析）：利用超外差接收機的原理，將頻率可變的掃頻信號與被分析信號進行差頻，再對所得的固定頻率信號進行測量分析，由此依次獲得被測信號不同頻率成分的幅度信息。這是頻譜儀最常采用的方法。

掃頻外差方式頻譜儀的實時與非實時分析（二）非實時分析法頻譜儀的實時與非實時分析（二）現(xiàn)代頻譜儀將外差式掃描頻譜分析技術(shù)與FFT數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合，兼有兩種技術(shù)的優(yōu)點：前端仍采用傳統(tǒng)的外差式結(jié)構(gòu)，而在中頻處理部分采用數(shù)字結(jié)構(gòu)，中頻信號由ADC量化，F(xiàn)FT則由通用微處理器或?qū)Ｓ脭?shù)字邏輯實現(xiàn)。這種方案充分利用了外差式頻譜儀的頻率范圍和FFT優(yōu)秀的頻率分辨率，使得在很高的頻率上進行極窄帶寬的頻譜分析成為可能，整機性能大大提高?，F(xiàn)代頻譜儀將外差式掃描頻譜分析技術(shù)與FFT數(shù)字信號處理濾波器掃描測試濾波器掃描測試外差式頻譜儀外差式頻譜儀的組成輸入通道中頻信號預(yù)處理檢波器視頻濾波器蹤跡處理主要技術(shù)參數(shù)參數(shù)之間的相互關(guān)系外差式頻譜儀外差式頻譜儀的組成

外差式頻譜儀的頻率變換原理與超外差式收音機相同：利用無線電接收機中普遍使用的自動調(diào)諧方式，通過改變掃頻本振的頻率來捕獲待測信號的不同頻率分量。也稱掃頻外差式頻譜儀。掃頻外差式方案是實施頻譜分析的傳統(tǒng)途徑，在高頻段占據(jù)優(yōu)勢地位。

外差式頻譜分析儀頻率范圍寬、靈敏度高、頻率分辨率可變，是目前頻譜儀中數(shù)量最大的一種。由于被分析的頻譜依次被順序采樣，因而不能進行實時分析。這種分析儀只能提供幅度譜，不能提供相位譜。外差式頻譜儀的頻率變換原理與超外差式收音機相同：利外差式頻譜儀的組成包括輸入通道、混頻電路、中頻處理電路、檢波和視頻濾波等部分。外差式頻譜儀的組成包括輸入通道、混頻電路、中頻處理電路、輸入通道（一）

輸入通道也稱前端，主要由輸入衰減、低噪聲放大、低通濾波及混頻等幾部分組成，功能上相當(dāng)于一臺寬頻段、窄帶寬的外差式自動選頻接收機。用于控制加到儀器后續(xù)部分的信號電平，并對輸入信號取差頻以獲得固定的中頻。輸入衰減：一方面避免因信號電平過高而引起的失真，同時起到阻抗匹配的功能，盡可能降低源負(fù)載與混頻器之間的失配誤差低噪聲放大：對輸入電平進行調(diào)整，保證混頻器輸入電平滿足一定的幅度要求，獲得較佳混頻效果輸入通道（一）輸入通道也稱前端，主要由輸入衰減輸入通道（二）頻率變換原理輸入通道（二）頻率變換原理輸入通道（二）外差式頻率變換原理|fL±fX|=fI

如果輸入頻率的范圍大于2fI，將與鏡頻在本振處交疊。通常的頻譜儀輸入頻率非常寬，一般的抑制鏡頻濾波器難以實現(xiàn)調(diào)諧。解決辦法是選擇高中頻，本振頻率也相應(yīng)提高輸入通道（二）外差式頻率變換原理|fL±fX|=f輸入通道（三）抑制鏡頻的高中頻解決方案鏡頻范圍遠(yuǎn)在輸入頻率范圍之上，兩者不會交疊；中頻頻率越高，鏡頻距本振越遠(yuǎn)，可避免因交疊而帶來的濾波器實現(xiàn)問題。因此用固定調(diào)諧的低通濾波器在混頻之前濾去鏡頻即可輸入通道（三）抑制鏡頻的高中頻解決方案鏡頻范圍遠(yuǎn)在輸入頻率范

高中頻很難實現(xiàn)窄帶帶通濾波和性能良好的檢波，需要進行多級變頻（混頻）處理。第一混頻實現(xiàn)高中頻頻率變換，再由第二、三級甚至第四級混頻將固定的中頻逐漸降低。每級混頻之后有相應(yīng)的帶通濾波器抑制高次諧波交調(diào)分量。利用更多級的變頻實現(xiàn)頻率擴展（2～4級）高中頻很難實現(xiàn)窄帶帶通濾波和性能良好的檢波，利用諧波混頻進一步擴展頻率利用諧波混頻進一步擴展頻率中頻信號預(yù)處理（一）

中頻信號預(yù)處理主要是在被檢測之前完成對固定中頻信號的自動增益放大、分辨率濾波等處理。中頻濾波器的帶寬通?？沙炭?，以提供不同的頻率分辨率。

中頻信號幅度調(diào)節(jié)：由自動增益電路完成。末級混頻的增益必須能夠以小步進精密調(diào)節(jié)，以保持后續(xù)電路中的最大信號電平固定而不受前端的影響。中頻濾波器：用于減小噪聲帶寬、分辨各頻率分量。頻譜儀的分辨率帶寬由最后一個中頻濾波器的帶寬決定。數(shù)字濾波器選擇性較好、沒有漂移，能夠?qū)崿F(xiàn)極穩(wěn)定的窄分辨率帶寬。中頻信號預(yù)處理（一）中頻信號預(yù)處理主要是在被檢測之前完中頻信號預(yù)處理（二）中頻信號預(yù)處理（二）AgilentESA-E系列頻譜分析儀原理圖AgilentESA-E系列頻譜分析儀原理圖AgilentPSA系列頻譜分析儀原理框圖AgilentPSA系列頻譜分析儀原理框圖AgilentPSA系列頻譜分析儀全數(shù)字中頻部分原理框圖AgilentPSA系列頻譜分析儀全數(shù)字中頻部分原理框圖檢波器（一）

在模擬式頻譜儀中，采用檢波器來產(chǎn)生與中頻交流信號的電平成正比的直流電平，以獲取待測信號的幅度信息。常用包絡(luò)檢波器。最簡單的包絡(luò)檢波器由一個二極管和一個并聯(lián)RC電路串接而成。只要恰當(dāng)?shù)剡x擇檢波器的R、C值，就可獲得合適的時間常數(shù)以確保檢波器跟隨中頻信號的包絡(luò)變化而變化。頻率掃描速度的快慢也會對檢波輸出產(chǎn)生影響，掃速太快會使檢波器來不及響應(yīng)。檢波器（一）在模擬式頻譜儀中，采用檢波器來產(chǎn)生與中檢波器（二）頻譜分析儀有時域功能可用，此時掃頻寬度設(shè)置成零掃頻帶寬（ZeroSpan）。

檢波器（二）頻譜分析儀有時域功能可用，此時掃頻寬度視頻濾波器（一）

視頻濾波器用于對顯示結(jié)果進行平滑或平均，以減小噪聲對信號幅度的影響?；驹恚阂曨l濾波器實質(zhì)是低通濾波器，它決定了驅(qū)動顯示器垂直方向的視頻電路帶寬。當(dāng)視頻濾波器的截止頻率小于分辨率帶寬時，視頻系統(tǒng)跟不上中頻信號包絡(luò)的快速變化，因此使信號的起伏被“平滑”掉。

應(yīng)用：主要應(yīng)用于噪聲測量，特別是在分辨率帶寬（RBW）較大時。減小視頻濾波器的帶寬（VBW）將削弱或平滑噪聲峰-峰值的變化，當(dāng)VBW/RBW<0.01時，平滑效果非常明顯。視頻濾波器（一）視頻濾波器用于對顯示結(jié)果進行平滑或平視頻濾波器（二）視頻濾波器（二）視頻濾波

視頻帶寬使噪聲變得平滑，從而可以更簡便地識別非常小的信號視頻濾波視頻帶寬使噪聲變得平滑，從而可以更簡便地識別蹤跡處理（一）

頻譜儀進行一次掃描所得的頻譜圖的跡線即“蹤跡”（Trace），也有“掃跡”、“軌跡”、“軌跡線”等不同譯法。

標(biāo)記（Marker）：蹤跡上特定的幅度點或頻率點借助標(biāo)記功能可以非常方便、直觀地實現(xiàn)多種功能，如找最大/最小值、測量相對幅度或頻率等，并有助于改善相對測量精度、減小讀數(shù)誤差。

蹤跡平均處理：為了平滑圖像、降低噪聲，對同一輸入信號多次掃描所得的蹤跡進行的處理。蹤跡平均的基本算法是將來自多個蹤跡的相同頻點上的數(shù)據(jù)一一進行加權(quán)平均，形成一個平滑蹤跡。蹤跡處理（一）頻譜儀進行一次掃描所得的頻譜圖的跡線即

兩種蹤跡平均線性加權(quán)蹤跡平均：即算術(shù)平均，采用相同的加權(quán)系數(shù)，是一種最便捷的數(shù)據(jù)加權(quán)計算。其中：n——加權(quán)因子，即進行平均的蹤跡數(shù)目Aavg——平均后的蹤跡值Si——未經(jīng)平均的各次蹤跡的測量值，i=1,2,…,n

蹤跡處理（二）兩種蹤跡平均其中：n——加權(quán)因子，即進行平均的蹤跡數(shù)目蹤跡蹤跡處理（三）

指數(shù)加權(quán)蹤跡平均：也稱掃描平均、視頻平均，是在每個掃描點上采用指數(shù)加權(quán)的方法得到新的平均蹤跡。指數(shù)加權(quán)的原則是最新（最近）的蹤跡樣本或記錄的權(quán)最重，先前蹤跡的樣本或記錄的權(quán)依序呈指數(shù)減小。計算式如下：其中n——加權(quán)平均因子，即已完成掃描的蹤跡數(shù)Aavg——平均之后的蹤跡值Sn——未經(jīng)平均的當(dāng)前蹤跡的測量值A(chǔ)n-1——前一次掃描的平均蹤跡值蹤跡處理（三）指數(shù)加權(quán)蹤跡平均：其中n——加權(quán)平均因子，即外差式頻譜儀的主要性能指標(biāo)輸入頻率范圍頻率掃描寬度頻率分辨率頻率精度掃描時間相位噪聲/頻譜純度

幅度測量精度動態(tài)范圍靈敏度/噪聲電平本振直通/直流響應(yīng)本底噪聲

1dB壓縮點和最大輸入電平頻率指標(biāo)幅度指標(biāo)外差式頻譜儀的主要性能指標(biāo)輸入頻率范圍幅度測量精度頻率指標(biāo)

頻譜儀能正常工作的最大頻率區(qū)間?，F(xiàn)代頻譜儀的頻率范圍通?？蓮牡皖l段至射頻段，甚至微波段。下限頻率由本振饋通所影響；上限頻率由本振掃描范圍及中頻頻率決定毫米波段的輸入頻率可由諧波混頻至較低的頻段來進行處理。頻率指標(biāo)（一）輸入頻率范圍頻譜儀能正常工作的最大頻率區(qū)間。現(xiàn)代頻譜儀的頻頻率指標(biāo)（一）頻率掃描寬度（Span）

另有分析譜寬、掃寬、頻率量程、頻譜跨度等不同叫法。通常根據(jù)測試需要自動調(diào)節(jié)，或人為設(shè)置。掃描寬度表示頻譜儀在一次測量（也即一次頻率掃描）過程中所顯示的頻率范圍，可以小于或等于輸入頻率范圍。頻率指標(biāo)（一）頻率掃描寬度（Span）頻率指標(biāo)（二）

頻率分辨率（Resolution）

表征了將最靠近的兩個相鄰頻譜分量分辨出來的能力。主要由中頻濾波器的帶寬（即RBW）決定，但最小分辨率還受本振頻率穩(wěn)定度的影響。對濾波式頻譜分析儀而言，中頻濾波器的3dB帶寬決定了可區(qū)分的兩個等幅信號的最小頻率間隔。如果區(qū)分不等幅信號，分辨率就與濾波器的形狀因子有關(guān)?，F(xiàn)代頻譜儀通常具有可變的RBW，按照1-3-9或1-2-5的典型步進變化。最小的一檔RBW值就是頻率分辨率指標(biāo)，如90Hz。頻率指標(biāo)（二）頻率分辨率（Resolution）數(shù)字濾波器模擬濾波器跨度3kHzRESBW100HzRBW(1)數(shù)字濾波器模擬濾波器跨度3kHzRESBW100HRBW(2)RBW(2)3dB10kHz10kHzRBWRBW(3)3dB10kHz10kHzRBWRBW(3)10kHzRBW=10kHzRBW=1kHz10kHz失真產(chǎn)物60dBBW=15kHz7.5kHz3dB60dBRBW(4)10kHzRBW=10kHzRBW=1kHz1顯示的噪聲基底與RBW成正比，更窄的RBW意味著更高的靈敏度！RBW(5)顯示的噪聲基底與RBW成正比，更窄的RBW意味著更高的靈頻率指標(biāo)（三）頻率精度

即頻譜儀頻率軸的讀數(shù)精度，與參考頻率（本振頻率）穩(wěn)定度、掃描寬度Span、分辨率帶寬RBW等多項因素有關(guān)：其中：Δf——絕對頻率精度，單位Hz；γref——參考頻率（本振頻率）相對精度；fx——頻率讀數(shù)；N——完成一次掃描所需的頻率點數(shù)；A%——Span的精度，B%——RBW的精度，C——頻率常數(shù)。不同的頻譜儀有不同的A、B、C值。頻率指標(biāo)（三）頻率精度其中：Δf——絕對頻率精度，單位Hz；頻率指標(biāo)（四）掃描時間（SweepTime，簡作ST）

即進行一次全頻率范圍的掃描、并完成測量所需的時間，也叫分析時間。通常掃描時間越短越好，但為保證測量精度，掃描時間必須適當(dāng)。與掃描時間相關(guān)的因素主要有頻率掃描范圍、分辨率帶寬、視頻濾波?，F(xiàn)代頻譜儀通常有多檔掃描時間可選擇，最小掃描時間由測量通道的電路響應(yīng)時間決定。頻率指標(biāo)（四）掃描時間（SweepTime，簡作ST）頻率指標(biāo)（五）相位噪聲/頻譜純度

相位噪聲簡稱相噪，是頻率短期穩(wěn)定度的指標(biāo)之一，反映了極短期內(nèi)的頻率變化程度，表現(xiàn)為載波邊帶，所以也稱邊帶噪聲。通常用在源頻率的某一頻偏上相對于載波幅度下降的dBc數(shù)值表示。相噪由本振信號頻率或相位不穩(wěn)定引起，還與分辨率帶寬有關(guān)：RBW減小，相噪影響相應(yīng)降低。有效設(shè)置頻譜儀參數(shù)可使相噪影響達(dá)到最小，但無法消除。相噪也是影響頻譜儀分辨不等幅信號的因素之一。頻率指標(biāo)（五）相位噪聲/頻譜純度相噪相噪幅度指標(biāo)（一）

幅度測量精度

有絕對幅度精度和相對幅度精度之分，均由多方面因素決定。絕對幅度精度是針對滿刻度信號的指標(biāo)，受輸入衰減、中頻增益、分辨率帶寬、刻度逼真度、頻響及校準(zhǔn)信號本身的精度等的綜合影響；相對幅度精度與測量方式有關(guān)，在理想情況下僅有頻響和校準(zhǔn)信號精度兩項誤差來源，測量精度可以達(dá)到非常高。儀器在出廠前要經(jīng)過校準(zhǔn)，各種誤差已被分別記錄下來并用于對實測數(shù)據(jù)進行修正，顯示出來的幅度精度已有所提高。幅度指標(biāo)（一）幅度測量精度幅度指標(biāo)（二）

動態(tài)范圍（DynamicRange）即同時可測的最大與最小信號的幅度比。動態(tài)范圍受限于輸入混頻器的失真特性、系統(tǒng)靈敏度和本振信號的相位噪聲，其上限由頻譜儀的非線性失真決定。當(dāng)輸入信號大到足以忽略頻譜儀的熱噪聲效應(yīng)時，則在較小的載波頻偏處，系統(tǒng)的動態(tài)范圍只取決于本振相位噪聲；系統(tǒng)固有相噪會隨載波頻偏的增加而減小，因而在較大頻偏處，動態(tài)范圍更多地受靈敏度和混頻器失真特性的影響。

幅度指標(biāo)（二）動態(tài)范圍（DynamicRange）本底噪聲（NoiseFloor）/靈敏度

本底噪聲來自頻譜儀內(nèi)部的熱噪聲，也叫噪底，是系統(tǒng)固有噪聲，也是頻譜儀靈敏度的量度。本底噪聲會導(dǎo)致輸入信號信噪比下降，它在頻譜圖中表現(xiàn)為接近顯示器底部的噪聲基線，常以dBm為單位。頻譜儀在特定的分辨率帶寬下，或歸一化到1Hz帶寬時的本底噪聲，常以dBm為單位。靈敏度指標(biāo)描述了頻譜儀在沒有輸入信號時因內(nèi)部噪聲而產(chǎn)生的讀數(shù)，常用最小可測的信號幅度來代表，數(shù)值上等于顯示平均噪聲電平（DANL）。幅度指標(biāo)（三）本底噪聲（NoiseFloor）/靈敏度幅度指標(biāo)（三）幅度指標(biāo)（四）1dB壓縮點

1dB壓縮點：在動態(tài)范圍內(nèi)，因輸入電平過高而引起的信號增益下降1dB時的點。1dB壓縮點表明了頻譜儀過載能力。通常出現(xiàn)在輸入衰減0dB的情況下，由第一混頻決定。輸入衰減增大，1dB壓縮點的位置將同步增高。為避免非線性失真，所顯示的最大輸入電平（參考電平）必須位于1dB壓縮點之下。最大輸入電平最大輸入電平反映了頻譜儀可正常工作的最大限度，它的值一般由通道中第一個關(guān)鍵器件決定：0dB衰減時，第一混頻是最大輸入電平的決定性因素；衰減量大于0dB時，最大輸入電平的值反映了衰減器的負(fù)載能力。幅度指標(biāo)（四）1dB壓縮點本振饋通當(dāng)本振頻率與中頻的中心頻率相同或非常接近時，這個對應(yīng)于零頻（直流）輸入的本振信號將通過中頻濾波器，即本振饋通。因頻譜儀本振饋通而產(chǎn)生的直流響應(yīng)。對這種零頻響應(yīng)的電平，通常用相對于滿刻度響應(yīng)的dB數(shù)度量。頻譜儀的低端頻率距零頻較遠(yuǎn)（如90KHz）時，該指標(biāo)可以略去。本振饋通將被檢波及信號處理電路處理并進行顯示，它通?？勺鳛椋癏z頻率標(biāo)志！幅度指標(biāo)（五）本振饋通當(dāng)本振頻率與中頻的中心頻率相同或非常接近時，這參數(shù)之間的相互關(guān)系（一）

頻譜儀的各項參數(shù)設(shè)置不是孤立的。為了避免引入測量誤差，正常工作時這些參數(shù)相互之間以某種方式“聯(lián)動”（Coupling）設(shè)置，即只要改變其中任何一項，其余各項參數(shù)都會隨之自動變化。

掃描時間、掃描寬度、頻率分辨率、視頻帶寬由于使用了濾波器，掃描時間受限于中頻濾波器和視頻濾波器的響應(yīng)時間。若不滿足所需的最短掃描時間，濾波器未達(dá)到穩(wěn)態(tài)，會導(dǎo)致信號的幅度損耗和頻率偏移。為避免因此引起的測量誤差，分辨率帶寬RBW、視頻帶寬VBW、掃描時間ST及掃描寬度Span應(yīng)當(dāng)聯(lián)動設(shè)置。參數(shù)之間的相互關(guān)系（一）頻譜儀的各項參數(shù)設(shè)置不是孤立掃描速度太快的代價是顯示結(jié)果沒有經(jīng)過校準(zhǔn)掃描速度太快

RBW決定著測量時間掃描速度太快的代價是顯示結(jié)果沒有經(jīng)過校準(zhǔn)掃描速度太快

RBW參數(shù)之間的相互關(guān)系（二）VBW>RBW時：ST不受視頻濾波器的影響。此時，中頻濾波器的響應(yīng)時間僅與RBW2成反比：其中K為比例因子，取值與濾波器類型及其響應(yīng)誤差有關(guān)。例如：4級或5級級聯(lián)的模擬濾波器，K取2.5；高斯數(shù)字濾波器，K可取值1甚至小于1VBW<RBW時：所需的STmin受限于視頻濾波器的響應(yīng)時間。VBW越大，視頻濾波器的響應(yīng)越短，ST相應(yīng)也越小，VBW與ST成線性反比。參數(shù)之間的相互關(guān)系（二）VBW>RBW時：ST不受視頻濾波參數(shù)之間的相互關(guān)系（三）默認(rèn)的VBW設(shè)置原則：在保證不增加ST的前提下盡最大可能實現(xiàn)濾波平均。當(dāng)K=2.5時，應(yīng)有RBW/VBW≤1；若使用數(shù)字濾波器（取K=1），為了確保視頻濾波器的穩(wěn)定，應(yīng)有RBW/VBW≤0.3。參數(shù)部分聯(lián)動設(shè)置的經(jīng)驗公式正弦信號測量——RBW/VBW=0.3～1

脈沖信號測量——RBW/VBW=0.1噪聲信號測量——RBW/VBW=9大多數(shù)當(dāng)今的分析儀器自動結(jié)合掃頻時間和寬度以及分辨率帶寬設(shè)置。

參數(shù)之間的相互關(guān)系（三）默認(rèn)的VBW設(shè)置原則：在保證不增加SVBW/RBW分別為3:1,1:10,1:100時的平滑效果VBW/RBW分別為3:1,1:10,1:100時的平滑效果參數(shù)之間的相互關(guān)系（四）

輸入衰減、中頻增益、參考電平

頻譜儀的幅度測量上限由允許輸入的最大電平?jīng)Q定，下限取決于儀器固有噪聲或本底噪聲。因為放大、檢波及A/D轉(zhuǎn)換器件的動態(tài)范圍都很小，不可能在同一次測量的設(shè)置下同時達(dá)到這兩個限制。用戶會根據(jù)不同需要選擇最大顯示電平（參考電平）。輸入衰減、中頻增益是兩個決定性因素。參數(shù)之間的相互關(guān)系（四）輸入衰減、中頻增益、參考電平參數(shù)之間的相互關(guān)系（五）

輸入信號過大可能導(dǎo)致第一混頻受損，因此高電平輸入必須衰減，衰減量取決于第一混頻及其后續(xù)部分的動態(tài)范圍。混頻器電平過高，失真產(chǎn)生的頻率分量將會干擾正常顯示；衰減量過大則會導(dǎo)致信噪比降低，減小動態(tài)范圍。因此，輸入衰減及中頻增益的選擇需折中考慮。實際應(yīng)用中，即使參考電平非常低，通常也會將輸入衰減設(shè)置為最小值（如9dB），以獲得較好的匹配，提高幅度測量精度。參數(shù)之間的相互關(guān)系（五）輸入信號過大可能導(dǎo)致第一混頻頻譜分析的操作頻譜分析的操作近代電子測量技術(shù)頻譜儀分析課件近代電子測量技術(shù)頻譜儀分析課件近代電子測量技術(shù)頻譜儀分析課件超過限制功率或含有直流成份的信號是十分危險的?。。〕^限制功率或含有直流成份的信號是十分危險的?。。〉湫皖l譜分析儀的顯示典型頻譜分析儀的顯示使用頻譜分析儀

進行測量使用頻譜分析儀

進行測量相位噪聲測量脈沖信號測量信道和鄰道功率測量

除了完成幅度譜、功率譜等一般的測量功能外，頻譜儀還能夠用于對如非線性失真、相位噪聲、鄰道功率、調(diào)制度等頻域參數(shù)進行測量。相位噪聲測量除了完成幅度譜、功率譜等一般的測量功相位噪聲測量相位噪聲是本振短期穩(wěn)定度的表征，也是頻譜純度的一個重要度量指標(biāo)。它通常會引起波形在零點處的抖動，在時域中不易辨別，而在頻域中表現(xiàn)為載波的邊帶，所以常在頻域內(nèi)進行測量。相位噪聲測量相位噪聲是本振短期穩(wěn)定度的表征，也是頻譜純度顯示出該信號的頻譜，找出信號的中心頻率的功率幅度；適當(dāng)選擇掃頻寬度，使能顯現(xiàn)出所需寬度的兩個或一個噪聲邊帶；分辨帶寬的視頻帶寬宜盡量取小，以減小載波譜線寬度和邊帶中噪聲的高度而又不感到載波譜線有明顯晃動；縱軸采用對數(shù)刻度并調(diào)參考電平將譜線頂端調(diào)到刻度的頂部基線。相位噪聲測量過程（一）顯示出該信號的頻譜，找出信號的中心頻率的功率幅度；相位噪聲測利用可移動的光標(biāo)讀出譜線頂端電平C（dBm）和一個邊帶中指定偏移頻率fm處噪聲的平均高度的電平N（dBm）求出其差值（N-C）dB；再加上必要的修正。

相位噪聲測量過程（二）利用可移動的光標(biāo)讀出譜線頂端電平C（dBm）和一個邊帶中指定第一個修正項：這里讀出的噪聲電平N是等效帶寬B內(nèi)通過的總噪聲電平；折合成每1Hz帶寬應(yīng)加修正項（-10logB）；

第二個修正項：頻譜儀的縱細(xì)刻度讀數(shù)是按測正弦信號校準(zhǔn)的，測噪聲時頻譜儀的峰值檢波器和對數(shù)放大器將使噪聲電壓有效值和功率電平讀數(shù)偏低約2.5dB；應(yīng)加“頻譜儀效應(yīng)”修正項（＋2.5dB）；

相位噪聲測量過程（三）第一個修正項：第二個修正項：相位噪聲測量過程（三）相位噪聲為：（N－C）dB-10lgB＋2.5dBc／Hz相位噪聲測量過程（四）相位噪聲為：相位噪聲測量過程（四）幾點限制

此方法不能從相位噪聲中排除調(diào)幅噪聲，故調(diào)幅噪聲必須小于相位噪聲

l0dB以上，才能正確應(yīng)用；能測量（C-N）的范圍受頻譜儀動態(tài)范圍限制，即頻譜儀本振的噪聲電平必須比被測信號源的噪聲低得多；測量近載頻噪聲受頻譜儀帶寬限制。此法最適于測量漂移較小但相應(yīng)噪聲相對較高的信號源。幾點限制此方法不能從相位噪聲中排除調(diào)幅噪聲，故調(diào)幅噪聲必脈沖信號測量

脈沖信號是雷達(dá)和數(shù)字通信系統(tǒng)中的一類重要信號，它的測量比連續(xù)波形困難。如果采用窄分辨帶寬進行頻譜測量，將呈現(xiàn)出離散的譜線；如果采用較寬的分辨帶寬，這些譜線就會連成一片?？梢?，不同的頻譜儀設(shè)置可能對同一個脈沖信號的測量結(jié)果產(chǎn)生不同影響。脈沖信號測量脈沖信號是雷達(dá)和數(shù)字通信系統(tǒng)中的一類重脈沖信號測量原理（一）單脈沖的付氏變換具有采樣函數(shù)的曲線形狀：其中τ為脈沖寬度。頻譜的零點發(fā)生在1/τ的整數(shù)倍處，頻譜幅度與脈沖寬度成正比，即脈沖越寬，能量越大。脈沖信號測量原理（一）單脈沖的付氏變換具有采樣函數(shù)的曲線形脈沖信號測量原理（二）

脈沖信號V(f)的諧波位于波形基頻（即1/T的整數(shù)倍）處，波形周期稱為脈沖重復(fù)頻率PRF，有PRF=1/T。諧波的總體形狀或包絡(luò)與單脈沖的付氏變換相同，呈現(xiàn)采樣函數(shù)特性，并在1/τ的整數(shù)倍處出現(xiàn)頻譜包絡(luò)的零點。

時域中的重復(fù)脈沖頻域中的脈沖串頻譜脈沖信號測量原理（二）脈沖信號V(f)的諧波位于波形基線狀譜與包絡(luò)譜

當(dāng)頻譜儀的分辨率帶寬RBW比脈沖諧波的頻率間隔PRF窄時，頻譜儀能夠區(qū)分每一條諧波的譜線，因此將清楚地顯示出脈沖波形的線狀譜。窄RBW可改善信噪比，顯示結(jié)果與信號實際頻譜非常接近。改變掃描寬度能使被測頻譜適當(dāng)?shù)丶訉捇蜃冋?，但改變掃描時間不會影響頻譜的形狀。在用戶并不過多關(guān)心單獨譜線的情況下，通過選擇較寬的RBW（如大于脈沖諧波的PRF），頻譜儀可以顯示脈沖波形的包絡(luò)而不展示譜線的細(xì)節(jié)，這類頻譜叫做包絡(luò)譜或脈沖譜。

線狀譜與包絡(luò)譜當(dāng)頻譜儀的分辨率帶寬RBW比脈沖諧波的頻率間脈沖測量的分辨率濾波器

獲得清晰的脈沖線狀譜顯示的經(jīng)驗公式：

獲得脈沖包絡(luò)譜的經(jīng)驗公式：

過大的RBW會導(dǎo)致無法分辨包絡(luò)譜的零點，因此RBW必須保持小于包絡(luò)譜中的零點間隔，即小于1/τ。綜合起來，在顯示包絡(luò)譜時的RBW設(shè)置條件是：大于脈沖重復(fù)頻率，且遠(yuǎn)小于1/τ：脈沖測量的分辨率濾波器獲得清晰的脈沖線狀譜顯示的經(jīng)驗公式：載噪比的測量（一）

載噪比(C/N)通常用載波功率峰值與平均噪聲功率相差的dB數(shù)來表示；測量載噪比也就是測量平均噪聲功率與載波功率之間相差的dB數(shù)；噪聲功率一般是指1Hz帶寬下的測量值，通常是用dBm/Hz或W/Hz為單位來表示。載噪比的測量（一）載噪比(C/N)通常用載波功率峰值與平均載噪比的測量（二）

C/N測量辦法是先測出載波的幅度，然后關(guān)斷載波，測出噪聲功率，最后用載波幅度的dB數(shù)減去噪聲功率的dB數(shù)，得出C值；測量C/N時，分辨帶寬不能用得太大；必須對測出平均噪聲功率結(jié)果加以修正；對C/N應(yīng)該在系統(tǒng)的高端頻率和低端頻率上都加以測量。載噪比的測量（二）C/N測量辦法是先測出載波的幅度，然后關(guān)回波損耗的測量（一）發(fā)出的功率與反射回來的功率之比（并用dB數(shù)來表示）稱為系統(tǒng)的回波損耗（RL，returnloss）回波損耗與駐波比之間的關(guān)系：

RL（dB）=20lg[（SWR＋1）／（SWR-l）]回波損耗的測量（一）發(fā)出的功率與反射回來的功率之比（并用dB利用頻譜分析儀的跟蹤信號源（TG，trackinggenerator）加上一個定向耦合器，即可組成一個回波損耗測試系統(tǒng)?；夭〒p耗的測量（二）利用頻譜分析儀的跟蹤信號源（TG，trackinggen測量電磁泄漏或電磁環(huán)境

測量泄漏，就是在離開泄漏源某個規(guī)定的距離上測出泄漏信號的場強，并以dBmV／m為單位表示出來。測量泄漏的一般方法是在離泄漏源一定距離處測量信號的幅度，天線要指向水平方向，要經(jīng)過校準(zhǔn)，并能方便地改變位置和方位。測量電磁泄漏或電磁環(huán)境測量泄漏，就是在離開泄漏源某個規(guī)信道和鄰道功率測量模擬、數(shù)字無線移動通信系統(tǒng)系統(tǒng)在復(fù)用頻段上都有幾個相鄰的無線通信信道。為確保用戶的正常通信，必須避免在各頻段上沒有相鄰信道的發(fā)射干擾。因此，有必要對鄰近信道的功率進行限定，使其絕對功率（單位為dBm）或相對于傳輸信道的相對功率不致大到影響傳輸?shù)牡夭?。信道和鄰道功率測量模擬、數(shù)字無線移動通信系統(tǒng)系統(tǒng)在復(fù)用頻鄰道功率測量的關(guān)鍵參數(shù)重要參數(shù)有鄰道功率（ACP）、信道帶寬、信道間距、被測信道的鄰道數(shù)目等。信道間距：用戶信道與鄰近信道的中心頻率之差。鄰道數(shù)目：對信道功率測量的影響見下表鄰道數(shù)目需測量的信道功率0僅用戶信道1用戶信道、左/右鄰道2用戶信道、左/右鄰道、第一備用信道3用戶信道、左/右鄰道、第一備用信道、第二備用信道鄰道功率測量的關(guān)鍵參數(shù)重要參數(shù)有鄰道功率（ACP）、信道近代電子測量技術(shù)頻譜儀分析課件近代電子測量技術(shù)頻譜儀分析課件近代電子測量技術(shù)頻譜儀分析課件近代電子測量技術(shù)頻譜儀分析課件近代電子測量技術(shù)頻譜儀分析課件頻域測量——頻譜分析儀頻譜分析儀是使用不同方法在頻域內(nèi)對信號的電壓、功率、頻率等參數(shù)進行測量并顯示的儀器。頻域測量——頻譜分析儀頻譜分析儀是使用不同方法在頻域內(nèi)對時間幅度(功率)頻率時域測量頻域測量頻率與時域的關(guān)系以頻譜形式顯示出所測信號分解的每個正弦波的幅度隨頻率變化的情況就是頻域測量。時間幅度頻率時域測量頻域測量頻率與時域的關(guān)系以頻譜形式顯頻譜分析的基本概念廣義上，信號頻譜是指組成信號的全部頻率分量的總集；狹義上，一般的頻譜測量中常將隨頻率變化的幅度譜稱為頻譜。頻譜測量：在頻域內(nèi)測量信號的各頻率分量，以獲得信號的多種參數(shù)。頻譜測量的基礎(chǔ)是付里葉變換。頻譜的兩種基本類型離散頻譜（線狀譜），各條譜線分別代表某個頻率分量的幅度，每兩條譜線之間的間隔相等連續(xù)頻譜，可視為譜線間隔無窮小，如非周期信號和各種隨機噪聲的頻譜頻譜分析的基本概念廣義上，信號頻譜是指組成信號的全部頻率分量.調(diào)制失真噪聲頻譜分析的類型.調(diào)制失真噪聲頻譜分析的類型頻譜分析儀的分類按分析處理方法：模擬式頻譜儀、數(shù)字式頻譜儀、模擬/數(shù)字混合式頻譜儀；按基本工作原理：掃描式頻譜儀、非掃描式頻譜儀；按處理的實時性：實時頻譜儀、非實時頻譜儀；按頻率軸刻度：恒帶寬分析式頻譜儀、恒百分比帶寬分析式頻譜儀；按輸入通道數(shù)目：單通道、多通道頻譜儀；按工作頻帶：高頻、射頻、低頻等頻譜儀。頻譜分析儀的分類按分析處理方法：模擬式頻譜儀、數(shù)字式頻譜儀、頻段分配頻段分配

頻譜分析儀是使用不同方法在頻域內(nèi)對信號的電壓、功率、頻率等參數(shù)進行測量并顯示的儀器。一般有實時分析法、非實時分析法兩種實現(xiàn)方法。實時分析法實時分析法又包括：并行濾波式（模擬）FFT分析法（數(shù)字）頻譜儀的實時與非實時分析頻譜分析儀是使用不同方法在頻域內(nèi)對信號的電壓、功率、并行濾波式每個濾波器之后都有各自的檢波器，無需電子開關(guān)切換及檢波建立時間，因此速度快，能夠滿足實時分析的需要。但是可顯示的頻譜分量數(shù)目取決于濾波器的數(shù)目，所以需要大量的濾波器。并行濾波式每個濾波器之后都有各自的檢波器，無需電子開關(guān)切帶通濾波器的性能指標(biāo)（一）帶寬通常是指3dB帶寬，或稱半功率帶寬

分辨率帶寬（RBW）反映了濾波器區(qū)分兩個相同幅度、不同頻率的信號的能力RBW帶通濾波器的性能指標(biāo)（一）帶寬通常是指3dB帶寬，或稱半帶通濾波器的性能指標(biāo)（二）波形因子

波型因子反映了區(qū)分兩個不等幅信號的能力，也稱帶寬選擇性波形因子定義為濾波器60dB帶寬與3dB帶寬之比。

也可用40dB帶寬與3dB帶寬之比表示。波形因子較小的濾波器的特性曲線更接近于矩形，故波形因子也稱矩形系數(shù)帶通濾波器的性能指標(biāo)（二）波形因子波型因子反映了區(qū)分帶通濾波器的性能指標(biāo)（三）

濾波器響應(yīng)時間（建立時間）

信號從加到濾波器輸入端到獲得穩(wěn)定輸出所需的時間。通常用達(dá)到穩(wěn)幅幅度的90％所需的時間TR來表述，它與絕對帶寬B成反比：TR∝1/B。

寬帶濾波器的響應(yīng)時間短，測量速度快；窄帶濾波器建立時間較長，但頻率分辨率更高、信噪比好。響應(yīng)時間限制了頻譜儀的掃描分析速度，影響實時頻譜分析的實現(xiàn)。帶通濾波器的性能指標(biāo)（三）濾波器響應(yīng)時間（建立時間）并行濾波器組處理（基于模擬濾波器或FFT－數(shù)字濾波）在特定時段中對時域數(shù)字信號進行FFT變換，得到頻域信息并獲取相對于頻率的幅度、相位信息?？沙浞掷脭?shù)字技術(shù)和計算機技術(shù)，非常適于非周期信號和持續(xù)時間很短的瞬態(tài)信號的頻譜測量。但其分析速率帶寬受ADC采樣速率限制，適合分析窄帶信號。FFT分析法并行濾波器組處理在特定時段中對時域數(shù)字信號進行FFT變換實時(FFT)分析儀方框圖實時(FFT)分析儀方框圖非實時分析法在任意瞬間只有一個頻率成分能被測量，無法得到相位信息。適用于連續(xù)信號和周期信號的頻譜測量。掃頻式分析：使分析濾波器的頻率響應(yīng)在頻率軸上掃描。差頻式分析（外差式分析）：利用超外差接收機的原理，將頻率可變的掃頻信號與被分析信號進行差頻，再對所得的固定頻率信號進行測量分析，由此依次獲得被測信號不同頻率成分的幅度信息。這是頻譜儀最常采用的方法。

掃頻外差方式頻譜儀的實時與非實時分析（二）非實時分析法頻譜儀的實時與非實時分析（二）現(xiàn)代頻譜儀將外差式掃描頻譜分析技術(shù)與FFT數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合，兼有兩種技術(shù)的優(yōu)點：前端仍采用傳統(tǒng)的外差式結(jié)構(gòu)，而在中頻處理部分采用數(shù)字結(jié)構(gòu)，中頻信號由ADC量化，F(xiàn)FT則由通用微處理器或?qū)Ｓ脭?shù)字邏輯實現(xiàn)。這種方案充分利用了外差式頻譜儀的頻率范圍和FFT優(yōu)秀的頻率分辨率，使得在很高的頻率上進行極窄帶寬的頻譜分析成為可能，整機性能大大提高?，F(xiàn)代頻譜儀將外差式掃描頻譜分析技術(shù)與FFT數(shù)字信號處理濾波器掃描測試濾波器掃描測試外差式頻譜儀外差式頻譜儀的組成輸入通道中頻信號預(yù)處理檢波器視頻濾波器蹤跡處理主要技術(shù)參數(shù)參數(shù)之間的相互關(guān)系外差式頻譜儀外差式頻譜儀的組成

外差式頻譜儀的頻率變換原理與超外差式收音機相同：利用無線電接收機中普遍使用的自動調(diào)諧方式，通過改變掃頻本振的頻率來捕獲待測信號的不同頻率分量。也稱掃頻外差式頻譜儀。掃頻外差式方案是實施頻譜分析的傳統(tǒng)途徑，在高頻段占據(jù)優(yōu)勢地位。

外差式頻譜分析儀頻率范圍寬、靈敏度高、頻率分辨率可變，是目前頻譜儀中數(shù)量最大的一種。由于被分析的頻譜依次被順序采樣，因而不能進行實時分析。這種分析儀只能提供幅度譜，不能提供相位譜。外差式頻譜儀的頻率變換原理與超外差式收音機相同：利外差式頻譜儀的組成包括輸入通道、混頻電路、中頻處理電路、檢波和視頻濾波等部分。外差式頻譜儀的組成包括輸入通道、混頻電路、中頻處理電路、輸入通道（一）

輸入通道也稱前端，主要由輸入衰減、低噪聲放大、低通濾波及混頻等幾部分組成，功能上相當(dāng)于一臺寬頻段、窄帶寬的外差式自動選頻接收機。用于控制加到儀器后續(xù)部分的信號電平，并對輸入信號取差頻以獲得固定的中頻。輸入衰減：一方面避免因信號電平過高而引起的失真，同時起到阻抗匹配的功能，盡可能降低源負(fù)載與混頻器之間的失配誤差低噪聲放大：對輸入電平進行調(diào)整，保證混頻器輸入電平滿足一定的幅度要求，獲得較佳混頻效果輸入通道（一）輸入通道也稱前端，主要由輸入衰減輸入通道（二）頻率變換原理輸入通道（二）頻率變換原理輸入通道（二）外差式頻率變換原理|fL±fX|=fI

如果輸入頻率的范圍大于2fI，將與鏡頻在本振處交疊。通常的頻譜儀輸入頻率非常寬，一般的抑制鏡頻濾波器難以實現(xiàn)調(diào)諧。解決辦法是選擇高中頻，本振頻率也相應(yīng)提高輸入通道（二）外差式頻率變換原理|fL±fX|=f輸入通道（三）抑制鏡頻的高中頻解決方案鏡頻范圍遠(yuǎn)在輸入頻率范圍之上，兩者不會交疊；中頻頻率越高，鏡頻距本振越遠(yuǎn)，可避免因交疊而帶來的濾波器實現(xiàn)問題。因此用固定調(diào)諧的低通濾波器在混頻之前濾去鏡頻即可輸入通道（三）抑制鏡頻的高中頻解決方案鏡頻范圍遠(yuǎn)在輸入頻率范

高中頻很難實現(xiàn)窄帶帶通濾波和性能良好的檢波，需要進行多級變頻（混頻）處理。第一混頻實現(xiàn)高中頻頻率變換，再由第二、三級甚至第四級混頻將固定的中頻逐漸降低。每級混頻之后有相應(yīng)的帶通濾波器抑制高次諧波交調(diào)分量。利用更多級的變頻實現(xiàn)頻率擴展（2～4級）高中頻很難實現(xiàn)窄帶帶通濾波和性能良好的檢波，利用諧波混頻進一步擴展頻率利用諧波混頻進一步擴展頻率中頻信號預(yù)處理（一）

中頻信號預(yù)處理主要是在被檢測之前完成對固定中頻信號的自動增益放大、分辨率濾波等處理。中頻濾波器的帶寬通常可程控，以提供不同的頻率分辨率。

中頻信號幅度調(diào)節(jié)：由自動增益電路完成。末級混頻的增益必須能夠以小步進精密調(diào)節(jié)，以保持后續(xù)電路中的最大信號電平固定而不受前端的影響。中頻濾波器：用于減小噪聲帶寬、分辨各頻率分量。頻譜儀的分辨率帶寬由最后一個中頻濾波器的帶寬決定。數(shù)字濾波器選擇性較好、沒有漂移，能夠?qū)崿F(xiàn)極穩(wěn)定的窄分辨率帶寬。中頻信號預(yù)處理（一）中頻信號預(yù)處理主要是在被檢測之前完中頻信號預(yù)處理（二）中頻信號預(yù)處理（二）AgilentESA-E系列頻譜分析儀原理圖AgilentESA-E系列頻譜分析儀原理圖AgilentPSA系列頻譜分析儀原理框圖AgilentPSA系列頻譜分析儀原理框圖AgilentPSA系列頻譜分析儀全數(shù)字中頻部分原理框圖AgilentPSA系列頻譜分析儀全數(shù)字中頻部分原理框圖檢波器（一）

在模擬式頻譜儀中，采用檢波器來產(chǎn)生與中頻交流信號的電平成正比的直流電平，以獲取待測信號的幅度信息。常用包絡(luò)檢波器。最簡單的包絡(luò)檢波器由一個二極管和一個并聯(lián)RC電路串接而成。只要恰當(dāng)?shù)剡x擇檢波器的R、C值，就可獲得合適的時間常數(shù)以確保檢波器跟隨中頻信號的包絡(luò)變化而變化。頻率掃描速度的快慢也會對檢波輸出產(chǎn)生影響，掃速太快會使檢波器來不及響應(yīng)。檢波器（一）在模擬式頻譜儀中，采用檢波器來產(chǎn)生與中檢波器（二）頻譜分析儀有時域功能可用，此時掃頻寬度設(shè)置成零掃頻帶寬（ZeroSpan）。

檢波器（二）頻譜分析儀有時域功能可用，此時掃頻寬度視頻濾波器（一）

視頻濾波器用于對顯示結(jié)果進行平滑或平均，以減小噪聲對信號幅度的影響?；驹恚阂曨l濾波器實質(zhì)是低通濾波器，它決定了驅(qū)動顯示器垂直方向的視頻電路帶寬。當(dāng)視頻濾波器的截止頻率小于分辨率帶寬時，視頻系統(tǒng)跟不上中頻信號包絡(luò)的快速變化，因此使信號的起伏被“平滑”掉。

應(yīng)用：主要應(yīng)用于噪聲測量，特別是在分辨率帶寬（RBW）較大時。減小視頻濾波器的帶寬（VBW）將削弱或平滑噪聲峰-峰值的變化，當(dāng)VBW/RBW<0.01時，平滑效果非常明顯。視頻濾波器（一）視頻濾波器用于對顯示結(jié)果進行平滑或平視頻濾波器（二）視頻濾波器（二）視頻濾波

視頻帶寬使噪聲變得平滑，從而可以更簡便地識別非常小的信號視頻濾波視頻帶寬使噪聲變得平滑，從而可以更簡便地識別蹤跡處理（一）

頻譜儀進行一次掃描所得的頻譜圖的跡線即“蹤跡”（Trace），也有“掃跡”、“軌跡”、“軌跡線”等不同譯法。

標(biāo)記（Marker）：蹤跡上特定的幅度點或頻率點借助標(biāo)記功能可以非常方便、直觀地實現(xiàn)多種功能，如找最大/最小值、測量相對幅度或頻率等，并有助于改善相對測量精度、減小讀數(shù)誤差。

蹤跡平均處理：為了平滑圖像、降低噪聲，對同一輸入信號多次掃描所得的蹤跡進行的處理。蹤跡平均的基本算法是將來自多個蹤跡的相同頻點上的數(shù)據(jù)一一進行加權(quán)平均，形成一個平滑蹤跡。蹤跡處理（一）頻譜儀進行一次掃描所得的頻譜圖的跡線即

兩種蹤跡平均線性加權(quán)蹤跡平均：即算術(shù)平均，采用相同的加權(quán)系數(shù)，是一種最便捷的數(shù)據(jù)加權(quán)計算。其中：n——加權(quán)因子，即進行平均的蹤跡數(shù)目Aavg——平均后的蹤跡值Si——未經(jīng)平均的各次蹤跡的測量值，i=1,2,…,n

蹤跡處理（二）兩種蹤跡平均其中：n——加權(quán)因子，即進行平均的蹤跡數(shù)目蹤跡蹤跡處理（三）

指數(shù)加權(quán)蹤跡平均：也稱掃描平均、視頻平均，是在每個掃描點上采用指數(shù)加權(quán)的方法得到新的平均蹤跡。指數(shù)加權(quán)的原則是最新（最近）的蹤跡樣本或記錄的權(quán)最重，先前蹤跡的樣本或記錄的權(quán)依序呈指數(shù)減小。計算式如下：其中n——加權(quán)平均因子，即已完成掃描的蹤跡數(shù)Aavg——平均之后的蹤跡值Sn——未經(jīng)平均的當(dāng)前蹤跡的測量值A(chǔ)n-1——前一次掃描的平均蹤跡值蹤跡處理（三）指數(shù)加權(quán)蹤跡平均：其中n——加權(quán)平均因子，即外差式頻譜儀的主要性能指標(biāo)輸入頻率范圍頻率掃描寬度頻率分辨率頻率精度掃描時間相位噪聲/頻譜純度

幅度測量精度動態(tài)范圍靈敏度/噪聲電平本振直通/直流響應(yīng)本底噪聲

1dB壓縮點和最大輸入電平頻率指標(biāo)幅度指標(biāo)外差式頻譜儀的主要性能指標(biāo)輸入頻率范圍幅度測量精度頻率指標(biāo)

頻譜儀能正常工作的最大頻率區(qū)間?，F(xiàn)代頻譜儀的頻率范圍通?？蓮牡皖l段至射頻段，甚至微波段。下限頻率由本振饋通所影響；上限頻率由本振掃描范圍及中頻頻率決定毫米波段的輸入頻率可由諧波混頻至較低的頻段來進行處理。頻率指標(biāo)（一）輸入頻率范圍頻譜儀能正常工作的最大頻率區(qū)間?，F(xiàn)代頻譜儀的頻頻率指標(biāo)（一）頻率掃描寬度（Span）

另有分析譜寬、掃寬、頻率量程、頻譜跨度等不同叫法。通常根據(jù)測試需要自動調(diào)節(jié)，或人為設(shè)置。掃描寬度表示頻譜儀在一次測量（也即一次頻率掃描）過程中所顯示的頻率范圍，可以小于或等于輸入頻率范圍。頻率指標(biāo)（一）頻率掃描寬度（Span）頻率指標(biāo)（二）

頻率分辨率（Resolution）

表征了將最靠近的兩個相鄰頻譜分量分辨出來的能力。主要由中頻濾波器的帶寬（即RBW）決定，但最小分辨率還受本振頻率穩(wěn)定度的影響。對濾波式頻譜分析儀而言，中頻濾波器的3dB帶寬決定了可區(qū)分的兩個等幅信號的最小頻率間隔。如果區(qū)分不等幅信號，分辨率就與濾波器的形狀因子有關(guān)。現(xiàn)代頻譜儀通常具有可變的RBW，按照1-3-9或1-2-5的典型步進變化。最小的一檔RBW值就是頻率分辨率指標(biāo)，如90Hz。頻率指標(biāo)（二）頻率分辨率（Resolution）數(shù)字濾波器模擬濾波器跨度3kHzRESBW100HzRBW(1)數(shù)字濾波器模擬濾波器跨度3kHzRESBW100HRBW(2)RBW(2)3dB10kHz10kHzRBWRBW(3)3dB10kHz10kHzRBWRBW(3)10kHzRBW=10kHzRBW=1kHz10kHz失真產(chǎn)物60dBBW=15kHz7.5kHz3dB60dBRBW(4)10kHzRBW=10kHzRBW=1kHz1顯示的噪聲基底與RBW成正比，更窄的RBW意味著更高的靈敏度！RBW(5)顯示的噪聲基底與RBW成正比，更窄的RBW意味著更高的靈頻率指標(biāo)（三）頻率精度

即頻譜儀頻率軸的讀數(shù)精度，與參考頻率（本振頻率）穩(wěn)定度、掃描寬度Span、分辨率帶寬RBW等多項因素有關(guān)：其中：Δf——絕對頻率精度，單位Hz；γref——參考頻率（本振頻率）相對精度；fx——頻率讀數(shù)；N——完成一次掃描所需的頻率點數(shù)；A%——Span的精度，B%——RBW的精度，C——頻率常數(shù)。不同的頻譜儀有不同的A、B、C值。頻率指標(biāo)（三）頻率精度其中：Δf——絕對頻率精度，單位Hz；頻率指標(biāo)（四）掃描時間（SweepTime，簡作ST）

即進行一次全頻率范圍的掃描、并完成測量所需的時間，也叫分析時間。通常掃描時間越短越好，但為保證測量精度，掃描時間必須適當(dāng)。與掃描時間相關(guān)的因素主要有頻率掃描范圍、分辨率帶寬、視頻濾波?，F(xiàn)代頻譜儀通常有多檔掃描時間可選擇，最小掃描時間由測量通道的電路響應(yīng)時間決定。頻率指標(biāo)（四）掃描時間（SweepTime，簡作ST）頻率指標(biāo)（五）相位噪聲/頻譜純度

相位噪聲簡稱相噪，是頻率短期穩(wěn)定度的指標(biāo)之一，反映了極短期內(nèi)的頻率變化程度，表現(xiàn)為載波邊帶，所以也稱邊帶噪聲。通常用在源頻率的某一頻偏上相對于載波幅度下降的dBc數(shù)值表示。相噪由本振信號頻率或相位不穩(wěn)定引起，還與分辨率帶寬有關(guān)：RBW減小，相噪影響相應(yīng)降低。有效設(shè)置頻譜儀參數(shù)可使相噪影響達(dá)到最小，但無法消除。相噪也是影響頻譜儀分辨不等幅信號的因素之一。頻率指標(biāo)（五）相位噪聲/頻譜純度相噪相噪幅度指標(biāo)（一）

幅度測量精度

有絕對幅度精度和相對幅度精度之分，均由多方面因素決定。絕對幅度精度是針對滿刻度信號的指標(biāo)，受輸入衰減、中頻增益、分辨率帶寬、刻度逼真度、頻響及校準(zhǔn)信號本身的精度等的綜合影響；相對幅度精度與測量方式有關(guān)，在理想情況下僅有頻響和校準(zhǔn)信號精度兩項誤差來源，測量精度可以達(dá)到非常高。儀器在出廠前要經(jīng)過校準(zhǔn)，各種誤差已被分別記錄下來并用于對實測數(shù)據(jù)進行修正，顯示出來的幅度精度已有所提高。幅度指標(biāo)（一）幅度測量精度幅度指標(biāo)（二）

動態(tài)范圍（DynamicRange）即同時可測的最大與最小信號的幅度比。動態(tài)范圍受限于輸入混頻器的失真特性、系統(tǒng)靈敏度和本振信號的相位噪聲，其上限由頻譜儀的非線性失真決定。當(dāng)輸入信號大到足以忽略頻譜儀的熱噪聲效應(yīng)時，則在較小的載波頻偏處，系統(tǒng)的動態(tài)范圍只取決于本振相位噪聲；系統(tǒng)固有相噪會隨載波頻偏的增加而減小，因而在較大頻偏處，動態(tài)范圍更多地受靈敏度和混頻器失真特性的影響。

幅度指標(biāo)（二）動態(tài)范圍（DynamicRange）本底噪聲（NoiseFloor）/靈敏度

本底噪聲來自頻譜儀內(nèi)部的熱噪聲，也叫噪底，是系統(tǒng)固有噪聲，也是頻譜儀靈敏度的量度。本底噪聲會導(dǎo)致輸入信號信噪比下降，它在頻譜圖中表現(xiàn)為接近顯示器底部的噪聲基線，常以dBm為單位。頻譜儀在特定的分辨率帶寬下，或歸一化到1Hz帶寬時的本底噪聲，常以dBm為單位。靈敏度指標(biāo)描述了頻譜儀在沒有輸入信號時因內(nèi)部噪聲而產(chǎn)生的讀數(shù)，常用最小可測的信號幅度來代表，數(shù)值上等于顯示平均噪聲電平（DANL）。幅度指標(biāo)（三）本底噪聲（NoiseFloor）/靈敏度幅度指標(biāo)（三）幅度指標(biāo)（四）1dB壓縮點

1dB壓縮點：在動態(tài)范圍內(nèi)，因輸入電平過高而引起的信號增益下降1dB時的點。1dB壓縮點表明了頻譜儀過載能力。通常出現(xiàn)在輸入衰減0dB的情況下，由第一混頻決定。輸入衰減增大，1dB壓縮點的位置將同步增高。為避免非線性失真，所顯示的最大輸入電平（參考電平）必須位于1dB壓縮點之下。最大輸入電平最大輸入電平反映了頻譜儀可正常工作的最大限度，它的值一般由通道中第一個關(guān)鍵器件決定：0dB衰減時，第一混頻是最大輸入電平的決定性因素；衰減量大于0dB時，最大輸入電平的值反映了衰減器的負(fù)載能力。幅度指標(biāo)（四）1dB壓縮點本振饋通當(dāng)本振頻率與中頻的中心頻率相同或非常接近時，這個對應(yīng)于零頻（直流）輸入的本振信號將通過中頻濾波器，即本振饋通。因頻譜儀本振饋通而產(chǎn)生的直流響應(yīng)。對這種零頻響應(yīng)的電平，通常用相對于滿刻度響應(yīng)的dB數(shù)度量。頻譜儀的低端頻率距零頻較遠(yuǎn)（如90KHz）時，該指標(biāo)可以略去。本振饋通將被檢波及信號處理電路處理并進行顯示，它通常可作為０Hz頻率標(biāo)志！幅度指標(biāo)（五）本振饋通當(dāng)本振頻率與中頻的中心頻率相同或非常接近時，這參數(shù)之間的相互關(guān)系（一）

頻譜儀的各項參數(shù)設(shè)置不是孤立的。為了避免引入測量誤差，正常工作時這些參數(shù)相互之間以某種方式“聯(lián)動”（Coupling）設(shè)置，即只要改變其中任何一項，其余各項參數(shù)都會隨之自動變化。

掃描時間、掃描寬度、頻率分辨率、視頻帶寬由于使用了濾波器，掃描時間受限于中頻濾波器和視頻濾波器的響應(yīng)時間。若不滿足所需的最短掃描時間，濾波器未達(dá)到穩(wěn)態(tài)，會導(dǎo)致信號的幅度損耗和頻率偏移。為避免因此引起的測量誤差，分辨率帶寬RBW、視頻帶寬VBW、掃描時間ST及掃描寬度Span應(yīng)當(dāng)聯(lián)動設(shè)置。參數(shù)之間的相互關(guān)系（一）頻譜儀的各項參數(shù)設(shè)置不是孤立掃描速度太快的代價是顯示結(jié)果沒有經(jīng)過校準(zhǔn)掃描速度太快

RBW決定著測量時間掃描速度太快的代價是顯示結(jié)果沒有經(jīng)過校準(zhǔn)掃描速度太快

RBW參數(shù)之間的相互關(guān)系（二）VBW>RBW時：ST不受視頻濾波器的影響。此時，中頻濾波器的響應(yīng)時間僅與RBW2成反比：其中K為比例因子，取值與濾波器類型及其響應(yīng)誤差有關(guān)。例如：4級或5級級聯(lián)的模擬濾波器，K取2.5；高斯數(shù)字濾波器，K可取值1甚至小于1VBW<RBW時：所需的STmin受限于視頻濾波器的響應(yīng)時間。VBW越大，視頻濾波器的響應(yīng)越短，ST相應(yīng)也越小，VBW與ST成線性反比。參數(shù)之間的相互關(guān)系（二）VBW>RBW時：ST不受視頻濾波參數(shù)之間的相互關(guān)系（三）默認(rèn)的VBW設(shè)置原則：在保證不增加ST的前提下盡最大可能實現(xiàn)濾波平均。當(dāng)K=2.5時，應(yīng)有RBW/VBW≤1；若使用數(shù)字濾波器（取K=1），為了確保視頻濾波器的穩(wěn)定，應(yīng)有RBW/VBW≤0.3。參數(shù)部分聯(lián)動設(shè)置的經(jīng)驗公式正弦信號測量——RBW/VBW=0.3～1

脈沖信號測量——RBW/VBW=0.1噪聲信號測量——RBW/VBW=9大多數(shù)當(dāng)今的分析儀器自動結(jié)合掃頻時間和寬度以及分辨率帶寬設(shè)置。

參數(shù)之間的相互關(guān)系（三）默認(rèn)的VBW設(shè)置原則：在保證不增加SVBW/RBW分別為3:1,1:10,1:100時的平滑效果VBW/RBW分別為3:1,1:10,1:100時的平滑效果參數(shù)之間的相互關(guān)系（四）

輸入衰減、中頻增益、參考電平

頻譜儀的幅度測量上限由允許輸入的最大電平?jīng)Q定，下限取決于儀器固有噪聲或本底噪聲。因為放大、檢波及A/D轉(zhuǎn)換器件的動態(tài)范圍都很小，不可能在同一次測量的設(shè)置下同時達(dá)到這兩個限制。用戶會根據(jù)不同需要選擇最大顯示電平（參考電平）。輸入衰減、中頻增益是兩個決定性因素。參數(shù)之間的相互關(guān)系（四）輸入衰減、中頻增益、參考電平參數(shù)之間的相互關(guān)系（五）

輸入信號過大可能導(dǎo)致第一混頻受損，因此高電平輸入必須衰減，衰減量取決于第一混頻及其后續(xù)部分的動態(tài)范圍。混頻器電平過高，失真產(chǎn)生的頻率分量將會干擾正常顯示；衰減量過大則會導(dǎo)致信噪比降低，減小動態(tài)范圍。因此，輸入衰減及中頻增益的選擇需折中考慮。實際應(yīng)用中，即使參考電平非常低，通常也會將輸入衰減設(shè)置為最小值（如9dB），以獲得較好的匹配，提高幅度測量精度。參數(shù)之間的相互關(guān)系（五）輸入信號過大可能導(dǎo)致第一混頻頻譜分析的操作頻譜分析的操作近代電子測量技術(shù)頻譜儀分析課件近代電子測量技術(shù)頻譜儀分析課件近代電子測量技術(shù)頻譜儀分析課件超過限制功率或含有直流成份的信號是十分危險的?。。〕^限制功率或含有直流成份的信號是十分危險的?。?！典型頻譜分析儀的顯示典型頻譜分析儀的顯示使用頻譜分析儀

進行測量使用頻譜分析儀

進行測量相位噪聲測量脈沖信號測量信道和鄰道功率測量

除了完成幅度譜、功率譜等一般的測量功能外，頻譜儀還能夠用于對如非線性失真、相位噪聲、鄰道功率、調(diào)制度等頻域參數(shù)進行測量。相位噪聲測量除了完成幅度譜、功率譜等一般的測量功相位噪聲測量相位噪聲是本振短期穩(wěn)定度的表征，也是頻譜純度的一個重要度量指標(biāo)。它通常會引起波形在零點處的抖動，在時域中不易辨別，而在頻域中表現(xiàn)為載波的邊帶，所以常在頻域內(nèi)進行測量。相位噪聲測量相位噪聲是本振短期穩(wěn)定度的表征，也是頻譜純度顯示出該信號的頻譜，找出信號的中心頻率的功率幅度；適當(dāng)選擇掃頻寬度，使能顯現(xiàn)出所需寬度的兩個或一個噪聲邊帶；分辨帶寬的視頻帶寬宜盡量取小，以減小載波譜線寬度和邊帶中噪聲的高度而又不感到載波譜線有明顯晃動；縱軸采用對數(shù)刻度并調(diào)參考電平將譜線頂端調(diào)到刻度的頂部基線。相位噪聲測量過程（一）顯示出該信號的頻譜，找出信號的中心頻率的功率幅度；相位噪聲測利用可移動的光標(biāo)讀出譜線頂端電平C（dBm）和一個邊帶中指定偏移頻率fm處噪聲的平均高度的電平N（dBm）求出其差值（N-C）dB；再加上必要的修正。

相位噪聲測量過程（二）利用可移動的光標(biāo)讀出譜線頂端電平C（dBm）和一個邊帶中指定第一個修正項：這里讀出的噪聲電平N是等效帶寬B內(nèi)通過的總噪聲電平；